【正文】 測(cè)報(bào)警使用規(guī)范》、《石油工業(yè)動(dòng)火作業(yè)安全規(guī)程》、《國(guó)有煤礦瓦斯治理規(guī)定》、《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《工業(yè)企業(yè)煤氣安全規(guī)程》等均對(duì)所涉及的各種氣體檢測(cè)及氣體檢測(cè)儀器儀表的安裝有明確規(guī)定。美國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)通過(guò)立法，要求所有住房等人居場(chǎng)所必須安裝氣體報(bào)警器。這將引發(fā)對(duì)民用氣體檢測(cè)儀器儀表的巨大需求。 可行性分析隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多情況下都需要對(duì)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行限定，對(duì)室內(nèi)有害、危險(xiǎn)氣體的濃度等需要檢測(cè)。本設(shè)計(jì)利用集成溫濕度傳感器DHT11的品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等特點(diǎn)，利用MQ系列的MQ2氣敏傳感器，同時(shí)結(jié)合MSP430F149單片機(jī)強(qiáng)大的高速處理功能，選擇蜂鳴器、LED報(bào)警，矩陣式按鍵，DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，設(shè)計(jì)了一個(gè)手持式室內(nèi)氣體檢測(cè)儀器，并根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)值進(jìn)行超限報(bào)警，并在LCD上顯示檢測(cè)結(jié)果及實(shí)時(shí)時(shí)間等信息。同時(shí)本設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，所選處理器在低功耗產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方面應(yīng)用較多，對(duì)于手持設(shè)備，電池供電的儀器儀表是理想選擇。第2章 總體方案設(shè)計(jì)本章從氣體檢測(cè)的基本原理入手，根據(jù)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，著重介紹和說(shuō)明設(shè)計(jì)方案中的氣體檢測(cè)傳感器，微處理器、顯示模塊、按鍵、時(shí)鐘等模塊的方案選擇和論證，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的總體方案做了概要說(shuō)明。設(shè)計(jì)中選用了聲光報(bào)警的方式，若溫濕度超過(guò)了預(yù)設(shè)上限值或CO超過(guò)安全值則采用蜂鳴報(bào)警，否則用LED指示正常。MSP430F149 處理器CO氣體檢測(cè)LCD液晶顯示報(bào)警模塊實(shí)時(shí)時(shí)鐘矩陣式按鍵溫濕度采集 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖 氣體檢測(cè)原理及傳感器的選擇本節(jié)著重介紹氣體檢測(cè)的基本原理，氣敏傳感器元件的選擇及不同方案的對(duì)比論證，以確定選用合適的傳感器元件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。傳感器是實(shí)現(xiàn)外界物理量的測(cè)量和處理器之間的橋梁。其次是對(duì)測(cè)量信號(hào)的軟件處理，通過(guò)程序處理，一定的算法，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境中不同濃度的氣體的檢測(cè)。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測(cè)信號(hào)是其核心任務(wù)，而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)講，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試和對(duì)控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量[4]。如常用的溫度傳感器有DS18BAD590、PT100、LM135/235/335等，濕度傳感器有HS1101等。溫濕度一體的傳感器有常見(jiàn)的SHT10/SHT1DHT11/DHT21等。這種方式，電路較為復(fù)雜，而且會(huì)用到AD轉(zhuǎn)換，增加軟件編程的負(fù)擔(dān)，而且器件較多，增加硬件的焊接難度和調(diào)試難度，同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)成本。這樣可以減小外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，又可以兼顧系統(tǒng)的成本，完全符合測(cè)量要求。由（1）、（2）可見(jiàn)，對(duì)于本設(shè)計(jì)選擇溫濕度一體數(shù)字式傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警，還可以通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。所以，適合本設(shè)計(jì)的氣敏傳感器有：（1）MQ系列氣敏傳感器。（2）光化學(xué)氣敏傳感器。由于不同氣體對(duì)紅外波吸收程度不同，通過(guò)測(cè)量紅外吸收波長(zhǎng)來(lái)檢測(cè)氣體。經(jīng)過(guò)對(duì)比，本設(shè)計(jì)中選用了MQ系列的MQ2氣敏傳感器檢測(cè)室內(nèi)CO氣體的濃度。 處理器選擇氣體檢測(cè)儀對(duì)處理器的要求主要涉及運(yùn)算速度、傳輸速度、功耗等方面，尤其對(duì)于以電池供電，便攜式氣體檢測(cè)儀器，系統(tǒng)的功耗及處理器的功耗對(duì)檢測(cè)有很大影響。單片機(jī)最大的特點(diǎn)就是學(xué)習(xí)門檻低、應(yīng)用范圍廣、制作成本低、功能強(qiáng)大，主要向幾個(gè)方面的技術(shù)發(fā)展：通用性、低成本、高性能、低功耗。32位微處理器如ARM，屬于高端處理器，在功耗方面有低功耗模式，但是在軟件編程上難度較大，短期內(nèi)快速上手有一定的難度。同時(shí)，MSP430F149是MSP430系列單片機(jī)中應(yīng)用較為廣泛的一款單片機(jī)，在低功耗方面有突出的特點(diǎn)，可以靈活選擇時(shí)鐘，關(guān)閉不需要工作的外設(shè)模塊，進(jìn)入五種低功耗模式中的任意一種，從而達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。電子設(shè)計(jì)中常用的輸出顯示設(shè)備有兩種：數(shù)碼管和LCD。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較直觀，通常顯示從0到F中的任意一個(gè)數(shù)字，一個(gè)數(shù)碼管可以顯示一位。（2）液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的圖案。外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，顯示能力的擴(kuò)展將不會(huì)涉及到硬件電路的修改，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。不足之處在于其價(jià)格比較昂貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫比較復(fù)雜。 按鍵控制設(shè)計(jì)中為了方便操作和控制系統(tǒng)更好的完成需要的功能，采用按鍵方式完成人機(jī)(處理器)對(duì)話。獨(dú)立鍵盤控制簡(jiǎn)單，但占用I/O口較多；矩陣鍵盤占用I/O引腳少，但編程較為復(fù)雜。同時(shí)，按鍵因?yàn)槭菣C(jī)械元件，在操作中因?yàn)闄C(jī)械觸點(diǎn)的彈性及電壓突跳等原因，在觸點(diǎn)開(kāi)啟或閉合的瞬間會(huì)發(fā)生電壓抖動(dòng)的現(xiàn)象，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，防止誤操作，需要對(duì)按鍵進(jìn)行去抖操作。 報(bào)警器在本設(shè)計(jì)中當(dāng)室內(nèi)溫濕度過(guò)界或CO濃度超過(guò)一定值時(shí)需要通過(guò)報(bào)警方式提醒用戶。語(yǔ)音報(bào)警軟件編程較復(fù)雜，一般在手持式檢測(cè)儀器上不常用。所以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要本設(shè)計(jì)中選擇了有源蜂鳴器及LED來(lái)完成報(bào)警功能。蜂鳴器是一種一體化的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、定時(shí)器等電子領(lǐng)域。第3章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)著重介紹和分析了單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、溫濕度采集和CO氣體采集模塊、液晶12864顯示、報(bào)警電路以及4*4按鍵、實(shí)時(shí)時(shí)鐘硬件電路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，以及各模塊關(guān)鍵硬件電路功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。根據(jù)方案論證的結(jié)果，本設(shè)計(jì)選用美國(guó)TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為主控制芯片。1996年問(wèn)世以來(lái)，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開(kāi)發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星[1]。MSP430F149單片機(jī)是MSP430X1XX系列中集成了豐富的外設(shè)資源、性價(jià)比很高的一款單片機(jī)。MSP430F149有P1P6共6個(gè)數(shù)字端口，48個(gè)IO引腳可供使用，且PP2端口具有中斷功能，PP2口的每一個(gè)引腳都可以獨(dú)立配置相應(yīng)的中斷。通過(guò)PxDIR獨(dú)立配置輸入輸出方向，獨(dú)立配置讀寫。其中PP2具有7個(gè)寄存器，P3P6具有4個(gè)寄存器。MSP430F149引腳分布如圖31所示。根據(jù)設(shè)計(jì)需要及實(shí)際運(yùn)用要求，MSP430F149單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路32所示。電路原理圖如33所示。POR信號(hào)是器件的復(fù)位信號(hào)，此信號(hào)只有在以下的事件發(fā)生時(shí)才會(huì)產(chǎn)生：器件上電時(shí)。當(dāng)POR信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生PUC信號(hào)；而PUC信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)不會(huì)產(chǎn)生POR信號(hào)。圖34 復(fù)位電路MSP430的時(shí)鐘模塊由低速晶體振蕩器LFXT高速晶體振蕩器XT2（MSP430X11X,MSP430X12X沒(méi)有）、數(shù)字控制振蕩器DCO、瑣相環(huán)FLL（MSP430X16X以上包括）和增強(qiáng)型瑣相環(huán)FLL+等部件組成。 圖35時(shí)鐘電路 氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì)以下著重介紹室內(nèi)氣體檢測(cè)中的溫濕度、CO氣體濃度的檢測(cè)模塊與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)。采用單線制串行接口，超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，4 針單排引腳封裝，連接方便。5％RH，溫度精度 177。對(duì)于本設(shè)計(jì)是可以滿足要求的。 表31 DHT11引腳說(shuō)明管腳管腳名稱說(shuō)明1VDD2 DATA串行數(shù)據(jù)輸出，單總線3 NC空腳，請(qǐng)懸空4GND接地，電源負(fù)極DATA引腳用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說(shuō)明,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)讀出為零。 DHT11與單片機(jī)通信是單總線雙向串行方式通信的。上電后等待1s以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。典型應(yīng)用電路如圖36所示。圖37 溫濕度采集硬件電路 CO氣體檢測(cè)電路設(shè)計(jì) MQ2/MQ2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。 適用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等監(jiān)測(cè)裝置[7]。 圖38 MQ2氣敏傳感器靈敏度曲線圖MQ2 氣敏元件由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO2敏感層,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。根據(jù)測(cè)試回路和設(shè)計(jì)需要，本設(shè)計(jì)中MQ2用于檢測(cè)CO氣體濃度的硬件電路接口如圖39所示。LCD12864在市面常見(jiàn)的有采用st7920控制器的，它一般帶有中文字庫(kù)字模，價(jià)格略高一點(diǎn)，支持串行和并行兩種方式。本設(shè)計(jì)選用了ST7920控制器的12864液晶顯示模塊。表32 LCD12864液晶引腳說(shuō)明引腳名稱方向說(shuō)明1VSS－電源負(fù)極2VDD－電源正極(5V)3VO－偏壓輸入4RS（CS）H/L數(shù)據(jù)／命令選擇端5RW(STD)H/L讀寫選擇端(串行數(shù)據(jù)線)6E(SCLK)H,H/L使能信號(hào)(串行時(shí)鐘線)7DB0I/O數(shù)據(jù)端口08DB1I/O數(shù)據(jù)端口19DB2I/O數(shù)據(jù)端口210DB3I/O數(shù)據(jù)端口311DB4I/O數(shù)據(jù)端口412DB5I/O數(shù)據(jù)端口513DB6I/O數(shù)據(jù)端口614DB7I/O數(shù)據(jù)端口7續(xù)表3215PSBH/L串行／并行選擇　H：并行　　　　　　　　L：串行16NC空腳17RSTH/L復(fù)位(低有效)18VOUT驅(qū)動(dòng)電壓輸出端19LEDK/A背光負(fù)極(正極)20LEDA/K背光正極(負(fù)極)LCD12864模塊有串行和并行兩種控制方式，并行控制方式用三個(gè)控制引腳，8個(gè)數(shù)據(jù)口實(shí)現(xiàn)通信功能。圖310 LCD12864并行寫操作時(shí)序串行控制方式，只用三個(gè)引腳就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，CS片選信號(hào)，SCLK時(shí)鐘引腳，STD串行數(shù)據(jù)線。液晶與單片機(jī)的硬件接口原理圖如圖312所示。本次設(shè)計(jì)選用的液晶模塊，是采用5V供電的，模塊電壓和背光都是以5V電壓驅(qū)動(dòng)。LCD的供電選擇從電源端引出5V和GND兩個(gè)引腳，接到LCD電源供電引腳。 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對(duì)于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。本設(shè)計(jì)采用峰鳴聲音報(bào)警和LED發(fā)光報(bào)警電路。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在下圖中，Bout接晶體管基極輸入端，接單片機(jī)I/O端口，當(dāng)輸出高電平“1”時(shí)，晶體管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲；當(dāng)輸出低電平“0”時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲。硬件電路接口原理圖如圖313所示。4*4矩陣按鍵占用單片機(jī)的P1口8個(gè)I/O口，通過(guò)行列掃描，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)按鍵的不同功能操作，占用資源少，矩陣式按鍵在外部事情較多的時(shí)可以節(jié)省IO口。比較之下，選用4*4矩陣式按鍵實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的按鍵人機(jī)通信。圖314按鍵控制電路 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)本小節(jié)主要通過(guò)介紹實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的簡(jiǎn)單特性以及引腳分布，介紹了實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。DS1302引腳分布如圖315。表33 DS1302引腳說(shuō)明引腳名稱功能描述 VCC1，VCC2 電源引腳 X1,X2 32k晶振引腳 GND 接地